瀝青與集料粘附性評價方法對比研究

瀝青與集料粘附性評價方法對比研究2016-12-29

【摘要】現(xiàn)行評價集料與瀝青粘附性好壞的水煮法主觀性大，導(dǎo)致產(chǎn)生的誤差大。采用4種試驗方法分別對石灰?guī)r、砂巖、花崗巖和玄武巖與瀝青的粘附性進行試驗，比較每種試驗方法測得瀝青剝落率的大小。試驗表明，NAT法能較好評價瀝青與集料的粘附性。

【關(guān)鍵詞】瀝青；集料；粘附性；剝落率

自20世紀(jì)30年代以來，世界各國的道路工作者對瀝青與集料的粘附性問題逐漸開始重視，并進行大量研究，提出很多理論來闡述瀝青路面的水損害原因。這些理論認為，瀝青混合料的水損害主要是水浸入瀝青混合料的集料與瀝青膜之間而產(chǎn)生兩方面的破壞作用：（1）減少瀝青對礦料的粘附力；（2）破壞瀝青混合料相互之間的粘結(jié)力。影響集料與瀝青粘附性的因素主要有瀝青與集料的表面張力、瀝青與集料的化學(xué)組成、瀝青的粘度、集料表面紋理、多孔性和清潔度。瀝青與集料的粘附性不好致使瀝青混合料的抗水損害能力降低。

目前，瀝青路面水損害是瀝青路面最常見的破壞現(xiàn)象之一。因此，集料與瀝青的粘附性試驗非常重要，在粘附性不好的情況下應(yīng)采用添加抗剝落劑的方法來盡量提高集料與瀝青的粘附性。而現(xiàn)行試驗方法中，基本上都采用水煮法來評價瀝青與集料的粘附性。但是人們都認為水煮法的判斷主觀性大，導(dǎo)致誤差大。筆者分別用水煮法、重量法、光電比色法和NAT試驗方法來測定瀝青與集料的粘附性，并對每種試驗方法就同一瀝青應(yīng)用于同一集料上的剝落率進行比較。

1瀝青與集料的粘附和剝落理論

粘附是指一種物體與另一種物體粘結(jié)時的物理作用。瀝青與集料的粘附性機理主要用5種理論來解釋[1]：（1）力學(xué)理論。集料表面通常是粗糙且多孔，從微觀角度看集料表面高低不平。這種粗糙增加了骨料的表面積，使瀝青與集料的粘合面積增加，提高了兩者之間的粘結(jié)力。（2）化學(xué)反應(yīng)理論。眾所周知，堿性石料與瀝青的粘附性好，酸性石料與瀝青的粘附性不好，遇水極易剝落。這是因為瀝青中的酸性成分與集料表面堿性活性成分發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果。（3）分子定向理論。該理論認為，瀝青與集料之間的粘附性是由于瀝青中的表面活性物質(zhì)對集料表面的定向吸附而成的。（4）表面能理論。通常應(yīng)用經(jīng)典的潤濕論來解析瀝青膜在石料表面的鋪展或為水所置換而剝落的過程。（5）表面構(gòu)造理論。該理論從集料表面構(gòu)造闡述了瀝青―集料之間的粘附機理。在瀝青與集料的粘附過程中還存在更多的粘附-剝落機理和物理及化學(xué)平衡。

2試驗方法

2.1水煮法

我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ016-1993）規(guī)定[2]的水煮法是選用潔凈干燥的9.5～13.2mm等粒徑粗集料，浸入熱瀝青裹覆45s后取出冷卻15min，冷卻后浸入微沸的蒸餾水中煮沸3min，然后觀察瀝青在集料表面剝離的狀態(tài)，以此來評價瀝青與集料的粘附性。該方法的優(yōu)點是可以快速確定瀝青與集料的粘附性，但缺點亦顯著，即缺乏定量指標(biāo)，評定等級受人為因素影響較大，往往因人而異。

2.2重量法

本試驗以《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ016-1993）中瀝青與粗集料的粘附性試驗方法為基礎(chǔ)，主要試驗步驟為：將5個形狀規(guī)則的集料洗凈，干燥，編號并稱重G0；將瀝青升溫到165℃，把準(zhǔn)備好的集料放在瀝青中，45s后輕輕取出，在室溫下冷卻15min，稱重G1；然后放入微沸的水中煮3min后，在室溫下干燥24h，稱重G2。瀝青剝落率Rd為：

2.3光電比色法

光電比色法[3]是基于在瀝青-水-集料的體系中，水對瀝青的置換作用而使瀝青自集料表面產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，而應(yīng)用染料作示蹤作用，當(dāng)染料跟隨水進入瀝青與集料的界面時，就會吸附于集料的表面。集料表面的染料吸附量隨時間而增加，而溶液中的染料濃度越來越小，直至達到吸附平衡。

2.4NAT法

該試驗方法源自美國公路戰(zhàn)略研究計劃（SHRP）瀝青研究項目[4]。它是基于集料表面對瀝青有吸附作用，以及遇水后對瀝青膜的置換作用，將一定粒級的集料放在瀝青-甲苯溶液中一段時間進行循環(huán)回流，則會有一部分瀝青被吸附到集料表面。之后，向瀝青-甲苯溶液中加入一定量的水，讓水對吸附在集料表面的瀝青進行置換。這一系列的過程會使瀝青-甲苯溶液中瀝青的濃度發(fā)生改變。利用光電分光光度計測定溶液的吸光度，可計算出集料對瀝青的吸附量及加水后瀝青的剝落量，還可計算出自集料表面剝落的瀝青剝落率或吸附率。

吸附量：

凈吸附值：

剝落百分比：

式中，V為試驗用的瀝青-甲苯溶液體積，L；C0為瀝青-甲苯溶液中瀝青的初始濃度，g/L；A0為瀝青-甲苯溶液的初始吸光度值；A1為加水前瀝青-甲苯溶液的吸光度值；A2為剝落后瀝青-甲苯溶液的吸光度值。

3試驗結(jié)果及分析

選用石灰?guī)r、玄武巖、砂巖和花崗巖作為試驗集料，瀝青選用SK70#基質(zhì)瀝青，分別用以上4種方法進行粘附性試驗。重量法、光電比色法和NAT法試驗得出的瀝青剝落率見表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出：用這3種試驗方法得到的瀝青與集料的剝落率，除花崗巖試驗結(jié)果差異較大外，砂巖、石灰?guī)r和玄武巖的差異都不大。用水煮法測得的粘附性等級與其它試驗方法所得剝落率的百分率對應(yīng)關(guān)系見表2。由剝落率與粘附性等級的對應(yīng)關(guān)系得出的幾種試驗方法的粘附等級見表3。

表1不同集料表面瀝青剝落率試驗結(jié)果

試驗方法

砂巖

石灰?guī)r

花崗巖

玄武巖

重量法

11.35

8.55

50.73

21.57

光電比色法

13.48

12.35

73.62

24.88

NAT法

10.36

9.55

72.67

16.90

表2粘附等級與剝落率的對照關(guān)系

試驗方法不同等級下的剝落率/%

5

4

3

2

1

水煮法0-1515-3535-5555-7575-100

表3粘附等級對比

試驗方法

砂巖

石灰?guī)r

花崗巖

玄武巖

水煮法

5

5

2

4

重量法

5

5

3

4

光電比色法

5

5

1

4

NAT法

5

5

2

4

對照表1和表3，用4種試驗方法得到的砂巖、石灰?guī)r和玄武巖的粘附等級都一樣，但3種集料瀝青剝落率卻不相同?，F(xiàn)行的水煮法雖然不能精確評價集料與瀝青的粘附性，但在確定粘附等級上還是正確的，因此一直得到廣泛應(yīng)用；重量法和光電比色法可能產(chǎn)生的誤差較大。因此，在評價集料與瀝青粘附性時，條件允許情況下最好選擇精度較高的試驗方法。

4結(jié)論

（1）水煮法簡單，易操作，時間短，瀝青剝落情況明顯，但整個試驗過程中人的主觀性大，產(chǎn)生的誤差大，不能定量分析瀝青剝落率。

（2）重量法也比較簡單，也能定量分析瀝青剝落率，但在裹覆瀝青和水煮時容易產(chǎn)生誤差。若要較精